3d打印的隧道模型支護(hù)結(jié)構(gòu)及安裝方法及制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及隧道模型試驗(yàn)技術(shù)，具體涉及3D打印的隧道模型支護(hù)結(jié)構(gòu)及安裝方法及制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在隧道工程中，實(shí)際工程和結(jié)構(gòu)的原型一般是尺寸較大且較為復(fù)雜，其力學(xué)性能和受力機(jī)理通常無法通過對(duì)結(jié)構(gòu)直接進(jìn)行研究而獲得，而必須采用模型試驗(yàn)。在滿足一定相似原理的前提下，模型試驗(yàn)相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及數(shù)學(xué)模型可以更為便捷、全面、直觀、準(zhǔn)確地反映出隧道的各項(xiàng)數(shù)據(jù)和性能，對(duì)探究地下工程機(jī)理，以及工程實(shí)際起到指導(dǎo)作用。
[0003]目前，隧道模型試驗(yàn)的支護(hù)結(jié)構(gòu)一般都是噴涂混凝土，或者添加鐵絲網(wǎng)、小錨桿再進(jìn)行噴涂混凝土。然而這并不能很好的滿足模型試驗(yàn)的相似原理，會(huì)對(duì)后續(xù)的試驗(yàn)產(chǎn)生影響。并且，由于尺寸和結(jié)構(gòu)的限制，考慮噴涂混凝土的凝固時(shí)間，隧道模型掘進(jìn)速度和距離都要控制在一定范圍內(nèi)，這樣就使得試驗(yàn)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，還并不能很好的滿足模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有隧道模型試驗(yàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)的不足，提供的3D打印的隧道模型支護(hù)結(jié)構(gòu)及安裝方法及制作方法。
[0005]為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]3D打印的隧道模型支護(hù)結(jié)構(gòu)，包括若干段依次拼接的支護(hù)段，每段支護(hù)段包括若干個(gè)拼接的內(nèi)襯，每個(gè)內(nèi)襯均為3D打印件，在支護(hù)段的外側(cè)設(shè)有支撐板，通過3D打印的內(nèi)襯輔以支撐板作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，大大簡(jiǎn)化了隧道模型試驗(yàn)的支護(hù)布置，更為簡(jiǎn)單方便。
[0007]進(jìn)一步地，所述支撐板的形狀與所述支護(hù)段的形狀形同。
[0008]進(jìn)一步地，所述支撐板包括多段，相鄰的支撐板通過鏈接板用緊固裝置固定。
[0009]進(jìn)一步地，所述支護(hù)段的形狀由隧道的實(shí)際形狀通過比例縮放得到。
[0010]進(jìn)一步地，所述支護(hù)結(jié)構(gòu)的兩端的支護(hù)段通過壓片固定在端部支撐板上。
[0011]進(jìn)一步地，所述支撐板設(shè)在兩相鄰支護(hù)段之間，支護(hù)段的內(nèi)側(cè)通過壓片與支撐板連接。
[0012]進(jìn)一步地，打印所述內(nèi)襯的材料為聚乳酸材料。
[0013]進(jìn)一步地，所述相鄰的內(nèi)襯一個(gè)設(shè)有凸臺(tái)，另一個(gè)設(shè)有與凸臺(tái)配合的凹槽，通過凸臺(tái)與凹槽配合，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)內(nèi)襯的固定。
[0014]支護(hù)結(jié)構(gòu)的安裝方法，具體步驟如下:
[0015]1)將若干段內(nèi)襯依次拼接，拼接若干段支護(hù)段；
[0016]2)將多段支撐板設(shè)在支護(hù)段的外側(cè)，固定相鄰的支撐板，構(gòu)成一段支護(hù)結(jié)構(gòu)，將一段支護(hù)結(jié)構(gòu)的端部采用壓片將端部支撐板與內(nèi)襯固定；
[0017]3)將一段支護(hù)結(jié)構(gòu)放置在隧道模型內(nèi)，貼合挖出的內(nèi)壁；
[0018]4)繼續(xù)挖進(jìn)隧道，將第二段支護(hù)結(jié)構(gòu)中的支撐板放置在隧道內(nèi)并進(jìn)行拼接；
[0019]5)將若干段內(nèi)襯依次拼接在支撐板內(nèi)部，將內(nèi)襯與支撐板固定；
[0020]6)隧道繼續(xù)向前挖進(jìn)，重復(fù)步驟4)到步驟5);
[0021]7)最后，將端部支撐板與末端內(nèi)襯固定，完成完整的支護(hù)結(jié)構(gòu)。
[0022]支護(hù)結(jié)構(gòu)的制造方法，具體步驟如下:
[0023]1)按照滿足試驗(yàn)的相似比條件，將實(shí)際隧道模型縮小至需要程度，確定隧道模型支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本尺寸；
[0024]2)為模擬實(shí)際隧道開挖情況和保證隧道模型試驗(yàn)開挖時(shí)的穩(wěn)定性，將內(nèi)襯在隧道延伸方向分成多段，寬度視實(shí)際情況而定；
[0025]3)采用3D打印機(jī)打印內(nèi)襯。
[0026]本發(fā)明的有益效果是:
[0027]1)采用3D打印機(jī)打印支護(hù)內(nèi)襯，大大簡(jiǎn)化了隧道模型試驗(yàn)的支護(hù)布置，更為方便快捷，并且可以使試驗(yàn)者根據(jù)實(shí)際情況為隧道試驗(yàn)?zāi)Ｐ土可矶ㄖ浦ёo(hù)結(jié)構(gòu)，且支護(hù)結(jié)構(gòu)模型用后可以回收進(jìn)行多次試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用。
[0028]2)整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單和方便，可以有效防止隧道模型內(nèi)圍巖變形，省去了傳統(tǒng)的噴涂混凝土、添加錨桿等費(fèi)事費(fèi)力的工作。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)構(gòu)造圖。
[0030]圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)正視圖。
[0031]圖中1一第一內(nèi)襯；2—第二內(nèi)襯；3—第二內(nèi)襯；4一第四內(nèi)襯；5—第五內(nèi)襯；6—第六內(nèi)襯；7—端部上支撐板；8—端部下支撐板；9一上支撐板；10—下支撐板；11一端部壓片；12—壓片；13—連接板。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。
[0033]如圖1所示，隧道試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭ёo(hù)結(jié)構(gòu)包括若干段依次拼接的支護(hù)段，每段支護(hù)段均包括若干段內(nèi)襯，具體地，為6段，即第一內(nèi)襯1，第二內(nèi)襯2，第三內(nèi)襯3，第四內(nèi)襯4，第五內(nèi)襯5，第六內(nèi)襯6，端部上支撐板7，端部下支撐板8，上支撐板9，下支撐板10、端部壓片11和壓片12、鏈接板13，第四內(nèi)襯4，第五內(nèi)襯5，第六內(nèi)襯6具有一定的突起物，是因?yàn)檫@是個(gè)隧道模型，這就是實(shí)際隧道內(nèi)的襯砌結(jié)構(gòu)。
[0034]其中，內(nèi)襯結(jié)構(gòu)件上留有凸臺(tái)和凹槽，可以使其能拼接成一個(gè)整體，如圖2支護(hù)結(jié)構(gòu)的正視圖。整體結(jié)構(gòu)的首部和尾部部分通過端部壓片11將內(nèi)襯部分固定到端部上支撐板7和端部下支撐板8上，其中兩個(gè)支撐板則通過鏈接板13用內(nèi)六角螺栓在外部連接在一起。中間部位內(nèi)襯部分通過壓片12與上支撐板9和下支撐板10固定，上支撐板9和下支撐板10部分同樣是通過鏈接板13用內(nèi)六角螺栓在內(nèi)部連接在一起。
[0035]內(nèi)襯結(jié)構(gòu)件都是3D打印件?？紤]到實(shí)際試驗(yàn)要求精度并不高和打印費(fèi)用問題，選擇打印精度和費(fèi)用都適中的3D打印機(jī)MakerBot R印licatorZ18打印。聚乳酸(PLA)是一種新型的生物降解材料，使用可再生的植物資源(如玉米)所提出的淀粉原料制成。機(jī)械性能及物理性能良好。PLA可以在沒有加熱床情況下打印大型零件模型而邊角不會(huì)翹起，具有較低的收縮率，即使打印較大尺寸的模型時(shí)也表現(xiàn)良好。同時(shí)，PLA具有較低的熔體強(qiáng)度，打印模型更容易塑形。所以，選取PLA材料作為支護(hù)結(jié)構(gòu)模型的打印材料。
[0036]支撐板為鋼支撐班，為沖壓件。先做出合適的沖壓模具，再放到壓力機(jī)上對(duì)冷乳低碳鋼板材進(jìn)行沖壓加工，得到相應(yīng)形狀的鋼支撐板。端部壓片11和壓片12則是通過壓力機(jī)對(duì)Q235板材折彎得到。
[0037]下面結(jié)合試驗(yàn)對(duì)其安裝方法進(jìn)行說明:
[0038]1、首先，在隧道模型外將內(nèi)襯拼接一起、上支撐板9和下支撐板10用鏈接板13連接到一起，使用壓片12將內(nèi)襯固定到上支撐板9和下支撐板10上。
[0039]2、將已組裝好模型向隧道試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)放置，放進(jìn)隧道模型內(nèi)，貼合已挖出的內(nèi)壁。
[0040]3、在隧道模型內(nèi)向前挖進(jìn)一段距離，再將上支撐板9和下支撐板10分別放進(jìn)隧道，在隧道內(nèi)使用鏈接板13拼接到一起。
[0041]4、再次將內(nèi)襯1-6放到隧道內(nèi)，在隧道內(nèi)將其拼接到一起。
[0042]5、使用壓片12將前后兩次拼接起來的內(nèi)襯壓到鋼支撐板上，并用螺栓將壓片固定。
[0043]6、隧道繼續(xù)向前挖進(jìn)，重復(fù)之前步驟3到步驟5，直到滿足試驗(yàn)要求。
[0044]7、最后，用端部上支撐板7，端部下支撐板8拼接固定，采用端部壓片11將最后的內(nèi)襯固定住，完成完整的支護(hù)結(jié)構(gòu)。
[0045]3D打印的隧道模型支護(hù)結(jié)構(gòu)改變了傳統(tǒng)噴涂材料的支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬方法，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬更為簡(jiǎn)單和方便，可以有效防止隧道模型內(nèi)圍巖變形。且使用后可以快速拆卸，重復(fù)利用。
[0046]設(shè)計(jì)方法為:
[0047]—、按照滿足試驗(yàn)的相似比條件，將實(shí)際隧道模型縮小至需要程度，確定隧道模型支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本尺寸，如隧道模型支護(hù)結(jié)構(gòu)寬度、長(zhǎng)度、路面到拱頂高度。其中，可根據(jù)3D打印時(shí)的材料、厚度及填充率調(diào)整隧道模型支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度；
[0048]二、為保證運(yùn)輸和向試驗(yàn)隧道放置的方便，將內(nèi)襯部分分成六部分，并在接觸部位留有凸臺(tái)和凹槽。內(nèi)襯六部分劃分應(yīng)當(dāng)遵循合理的原則，可視實(shí)際情況決定；
[0049]三、為模擬實(shí)際隧道開挖情況和保證隧道模型試驗(yàn)開挖時(shí)的穩(wěn)定性，將內(nèi)襯在隧道延伸方向分成多段，長(zhǎng)度視實(shí)際情況而定；
[0050]四、考慮到支護(hù)結(jié)構(gòu)模型的受力情況和整體性，在首尾和中間部位將鋼支撐板作為內(nèi)襯的支撐骨架，鋼支撐板厚度和寬度可根據(jù)實(shí)際隧道受力選擇。
[0051]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.3D打印的隧道模型支護(hù)結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括若干段依次拼接的支護(hù)段，每段支護(hù)段包括若干個(gè)拼接的內(nèi)襯，每個(gè)內(nèi)襯均為3D打印件，在支護(hù)段的外側(cè)設(shè)有支撐板。2.如權(quán)利要求1所述的支護(hù)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述支撐板的形狀與所述支護(hù)段的形狀形同。3.如權(quán)利要求1或2所述的支護(hù)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述支撐板包括多段，相鄰的支撐板通過鏈接板用緊固裝置固定。4.如權(quán)利要求1所述的支護(hù)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述支護(hù)段的形狀由隧道的實(shí)際形狀通過比例縮放得到。5.如權(quán)利要求1或2或4所述的支護(hù)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述支護(hù)結(jié)構(gòu)的兩端的支護(hù)段通過壓片固定在端部支撐板上。6.如權(quán)利要求1或4所述的支護(hù)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述支撐板設(shè)在兩相鄰支護(hù)段之間，支護(hù)段的內(nèi)側(cè)通過壓片與支撐板連接。7.如權(quán)利要求1或2所述的支護(hù)結(jié)構(gòu)，其特征在于，打印所述內(nèi)襯的材料為聚乳酸材料。8.如權(quán)利要求1所述的支護(hù)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述相鄰的內(nèi)襯一個(gè)設(shè)有凸臺(tái)，另一個(gè)設(shè)有與凸臺(tái)配合的凹槽。9.如權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的支護(hù)結(jié)構(gòu)的安裝方法，其特征在于，具體步驟如下: 1)將若干段內(nèi)襯依次拼接，拼接若干段支護(hù)段； 2)將多段支撐板設(shè)在支護(hù)段的外側(cè)，固定相鄰的支撐板，構(gòu)成一段支護(hù)結(jié)構(gòu)，將一段支護(hù)結(jié)構(gòu)的端部采用壓片將端部支撐板與內(nèi)襯固定； 3)將一段支護(hù)結(jié)構(gòu)放置在隧道模型內(nèi)，貼合挖出的內(nèi)壁； 4)繼續(xù)挖進(jìn)隧道，將第二段支護(hù)結(jié)構(gòu)中的支撐板放置在隧道內(nèi)并進(jìn)行拼接； 5)將若干段內(nèi)襯依次拼接在支撐板內(nèi)部，將內(nèi)襯與支撐板固定； 6)隧道繼續(xù)向前挖進(jìn)，重復(fù)步驟4)到步驟5); 7)最后，將端部支撐板與末端內(nèi)襯固定，完成完整的支護(hù)結(jié)構(gòu)。10.如權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的支護(hù)結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，具體步驟如下: 1)按照滿足試驗(yàn)的相似比條件，將實(shí)際隧道模型縮小至需要程度，確定隧道模型支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本尺寸； 2)為模擬實(shí)際隧道開挖情況和保證隧道模型試驗(yàn)開挖時(shí)的穩(wěn)定性，將內(nèi)襯在隧道延伸方向分成多段，寬度視實(shí)際情況而定； 3)采用3D打印機(jī)打印內(nèi)襯。
【專利摘要】本發(fā)明公開了3D打印的隧道模型支護(hù)結(jié)構(gòu)及安裝方法及制作方法，支護(hù)結(jié)構(gòu)包括若干段依次拼接的支護(hù)段，每段支護(hù)段包括若干個(gè)拼接的內(nèi)襯，每個(gè)內(nèi)襯均為3D打印件，在支護(hù)段的外側(cè)設(shè)有支撐板。本發(fā)明的有益效果是：采用3D打印機(jī)打印支護(hù)內(nèi)襯，大大簡(jiǎn)化了隧道模型試驗(yàn)的支護(hù)布置，更為方便快捷，并且可以使試驗(yàn)者根據(jù)實(shí)際情況為隧道試驗(yàn)?zāi)Ｐ土可矶ㄖ浦ёo(hù)結(jié)構(gòu)，且支護(hù)結(jié)構(gòu)模型用后可以回收進(jìn)行多次試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用；整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單和方便，可以有效防止隧道模型內(nèi)圍巖變形，省去了傳統(tǒng)的噴涂混凝土、添加錨桿等費(fèi)事費(fèi)力的工作。
【IPC分類】G01M99/00
【公開號(hào)】CN105403427
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510980751
【發(fā)明人】張霄, 張慶松, 戚厚羿, 李術(shù)才, 李夢(mèng)天, 劉振國(guó), 李鵬, 李相輝, 左金鑫
【申請(qǐng)人】山東大學(xué)
【公開日】2016年3月16日
【申請(qǐng)日】2015年12月23日